2D-Materialien

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Stefan Reschke

Das mit Abstand am weitesten erforschte zwei-dimensionale Material (2D-Material), für dessen Entdeckung im Jahr 2004 Novoselov und Geim den Physik-Nobelpreis (2010) erhielten, ist Graphen. Zu Beginn konzentrierte sich die Erforschung der 2D-Materialien fast ausschließlich auf diesen bemerkenswerten Werkstoff. Das Material besteht aus einer einzigen Atomlage kovalent gebundener Kohlenstoffatome und verknüpft eine sehr gute thermische und elektrische Leitfähigkeit mit sehr geringem Gewicht und extrem hoher Festigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit kann allerdings erst durch Modifikationen eingestellt werden, da Graphen ein Isolator ist. Aufgrund dieses außergewöhnlichen Profils wurden in den letzten Jahren zunehmend weitere sehr interessante 2D-Materialien erforscht, die z.T. sehr unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Einige dieser Materialien werden im Folgenden näher beleuchtet. Weiterlesen

Nanogeneratoren

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Das Wort Nanogenerator ist ein Sammelbegriff für kleine und kleinste Energiekonverter, bei denen meist eine nanoskalige Komponente, z.B. Nanoröhren, maßgeblich an der Energiekonversion beteiligt ist. Die Idee ist, sie aus ihrer direkten Umwelt ausreichend Energie ernten zu lassen (Energy Harvesting), um damit aktuelle und insbesondere zukünftige kleine elektronische Einheiten kontinuierlich und ausreichend mit Elektrizität zu versorgen. Solche Kleinstelektronik, wie z.B. hochsensible Bio-, Chemo- oder Umweltsensoren, mikroelektromechanische Bauteile (MEMS) oder Nanoroboter, sollen dadurch unabhängig von externer Energieversorgung durch Kabel oder relativ voluminöse Energiespeicher wie Akkumulatoren oder Batterien werden. Genutzt werden soll dabei die an sich im Überfluss vorhandene Energie aus der Umwelt, nämlich thermische, mechanische, chemische und biochemische Energie. Weiterlesen

Rohstoffknappheit und Ressourceneffizienz

Dr. Ramona Langner

Der jährliche globale Verbrauch an natürlichen Ressourcen wie Bau- und Industriemineralen, Erzen, fossilen Energieträgern und Biomasse steigt rasant an und verdoppelte sich zwischen den Jahren 1979 und 2009 von rund 35 auf fast 70 Milliarden Tonnen. Grund dafür sind eine wachsende Weltbevölkerung, aber auch ein zunehmender Wohlstand in weiten Teilen der Welt. Insbesondere die wirtschaftliche Entwicklung der Schwellenländer führte durch den zusätzlichen Ressourcenbedarf zu einer teilweisen Rohstoffverknappung sowie zu einem Anstieg des Preisniveaus, mit enormen Auswirkungen auf die Versorgung der deutschen Wirtschaft mit natürlichen Ressourcen. Gleichzeitig führt eine übermäßige Nutzung natürlicher Ressourcen zu erheblichen Umweltbeeinträchtigungen bei der Gewinnung von Rohstoffen sowie ihrer Verarbeitung, Nutzung und Entsorgung. Weiterlesen

Biokunststoffe aus Polymilchsäure

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Biokunststoffe erobern in den letzten Jahren langsam aber stetig den Markt. Einer der bekanntesten Werkstoffe in dieser Gruppe ist Polymilchsäure (PLA, Polylactic acid), die neben Stärkeblends, Celluloseestern und Polyhydroxyalkanoaten (PHA) mittlerweile einen festen Platz im Kunststoffmarkt hat. PLA sind biobasierte und bioabbaubare/kompostierbare Polyester, die aus Milchsäure produziert werden und in zwei stereochemischen Formen auftreten bzw. als deren Gemisch vorliegen. Die Polymere wurden erstmals 1845 beschrieben, aber erst etwa 90 Jahre später konnte ein Herstellungsverfahren entwickelt werden, bei dem Polymilchsäure aus Milchsäuremolekülen synthetisiert werden konnte. Die Eigenschaften der verschiedenen reinen PLA-Copolymere variieren je nach stereochemischer Zusammensetzung. Die monomere Milchsäure und das Dimer (Lactid), ein ringförmiger Zusammenschluss von zwei Milchsäuremolekülen, können synthetisch oder durch Fermentation gewonnen werden. Die biobasierte Produktion durch fermentative Milchsäuregärung überwiegt dabei bei weitem mit einem Produktionsanteil von ca. 90%. Die polymere Milchsäure wird hauptsächlich durch die Reaktion der Lactiden durch Ring-Öffnende- Polymerisation (ROP) erhalten. Dies führt zu höhermolekularem PLA als der Einsatz der freien Säure, da bei dieser Reaktion Wasser als Nebenprodukt auftritt und durch eine aufwändige Destillation aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden muss. Weiterlesen

Papiebasierte Mikrofluidik

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff

Der Werkstoff Papier, ein über Abseihen aus wässriger Vorlage gewonnener flächiger Faserfilz aus üblicherweise organischen Bestandteilen, ist aus China schon über 1900 Jahre bekannt. In seiner heutigen Form und Vielfalt ist Papier ein sehr preiswerter und überall verfügbarer Werkstoff mit vielen Eigenschaften, die ihn zunehmend auch als Basis- bzw. Trägermaterial für vormals im Hightech-Bereich angesiedelte Technologien einsetzbar machen. Hier gibt es im Rahmen der medizinischen Diagnostik schon länger etablierte Einsatzgebiete wie z.B. Teststreifen zum Nachweis von Schwangerschaft, der Messung von Blutzucker oder Harnglucose, oder in der Bestimmung der Blutgerinnung durch den Patienten selbst, die rein auf dem inhärenten Kapillareffekt des Papiers beruhen. Neue Forschung und Entwicklung der letzten 5–10 Jahre nutzen Papier gezielt zur Herstellung sehr kostengünstiger Komponenten oder Systeme in Elektronik, Diagnostik (Medizin, Lebensmittel, Umwelt) und weiteren sensorischen Anwendungen, als Templatwerkstoff, der beispielsweise mit Keramikschlickern oder Polymeren gefüllt und dann weiterverarbeitet werden kann, sowie in additiven Fertigungsverfahren wie z.B. dem Rapid Prototyping. Weiterlesen

Biokunststoffe aus Polyhydroxyalkanoaten

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Begrenzte Vorräte und steigende Preise des Rohöls führen zusammen mit internationalen Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels zu einem steten Substitutionsdruck nicht nur bei fossilien Kraftstoffen, sondern auch in den Bereichen Basischemikalien und Kunststoffe. Der in den letzten Jahren stetig wachsende Markt für Biokunststoffe, also solche auf der Basis nichtfossiler Rohstoffe, ist daher von großem Interesse. Ein stark wachsendes Segment in diesem Bereich sind die Polyhydroxyalkanoate (PHA), die nach Stärkeblends, Celluloseestern und Polylaktiden die derzeit viertgrößte Gruppe der Biokunststoffe stellen. Sie erzielen zweistellige prozentuale Zuwachsraten und haben eine geschätzte Produktionskapazität von bis zu 130.000 t/Jahr. PHA sind bakteriell hergestellte Polyesteraus gesättigten und ungesättigten Hydroxyalkansäuren mit thermoplastischen Eigenschaften, die nicht-toxisch und zu 100% bioabbaubar sind. Klassische  Anwendungsbereiche sind Fasern, Hygieneartikel und Verpackungen. Ihre Biokompatibilität prädestiniert PHA-Werkstoffe zudem als Träger von Geschmacksstoffen in Lebensmitteln und zur Verwendung im medizinischen Bereich, z. B. als resorbierbare Gefäßimplantate, chirurgische Nahtfäden und Mikrokapseln. Weiterlesen

Dreidimensional strukturierte LTCC-Keramik

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff

Unter LTCC-Keramik versteht man keramische Formkörper, die durch Sintern bei relativ niedrigen Temperaturen, in der Regel zwischen 800°C und 1000°C, aus einer oder mehreren verschiedenen keramischen Zusammensetzungen hergestellt werden. Üblicherweise handelt es sich bei diesen Werkstoffen um kristallisierbare Gläser (Glaskeramiken) oder Mischungen aus solchen mit Keramiken, die meist als Pulverschlicker oder -pasten in dünnen Schichten von je 50 bis ca. 500 Mikrometern Dicke ausgebracht und übereinander gestapelt werden. Neben Strukturwerkstoffen wie Aluminiumoxid, Cordierit oder Siliziumdioxid werden auch Funktionswerkstoffe wie Piezoelektrika eingesetzt. Bauteile aus LTCC-Keramik finden überwiegend in Mikro- und Mesosystemtechnik Anwendung. Weiterlesen

Ultrakurzpulslaser zur Materialbearbeitung

Dr. David Offenberg, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Der Laser ist seit Jahren ein etabliertes Werkzeug zur Materialbearbeitung in der industriellen Fertigung und in medizinischen Anwendungen. Bei kontinuierlich emittierenden Lasern und gepulsten Lasern mit Pulsdauern im Mikro- bis Nanosekundenbereich beruht der Materialabtrag in der Regel auf einer starken Erwärmung des absorbierenden Materials, das erst schmilzt und schließlich verdampft. Bei Ultrakurzpulslasern mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden bis Femtosekunden hingegen erfolgt bei ausreichender Fokussierung ein direkter Phasenübergang des Materials ins Gasförmige. Dadurch bleiben Materialaufschmelzung, Gefügeveränderungen, Phasenumwandlungen und thermische Spannungen im Werkstück auf einen Bereich von wenigen Nanometern begrenzt. So sind Ultrakurzpulslaser nicht nur ein Schlüssel zur Ultrapräzisionsbearbeitung, sondern sie bieten auch völlig neue Möglichkeiten bei der Bearbeitung temperaturempfindlicher Materialien wie z.B. Polymere, metallische Gläser oder menschliches Gewebe. Weiterlesen

Magnetische Kühlung

Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Ein großer Teil der Energiekosten moderner Haushalte, aber auch industrieller Anwendungen, resultiert aus dem hohen Energieverbrauch konventioneller Kühlsysteme, die auf Basis der Kompression von Gasen arbeiten. Eine weitere Effizienzsteigerung ist in diesen Systemen nur noch schwierig zu bewerkstelligen, so dass alternative Kühlmöglichkeiten erforscht werden, die eine erhebliche Reduzierung der benötigten Energie erwarten lassen. Eine besonders vielversprechende Technologie in diesem Zusammenhang ist die der Magnetischen Kühlung, die bis heute vor allem für Forschungszwecke in der Tieftemperaturphysik eingesetzt wird. Weiterlesen

Fertigung von mechanischen Metamaterialien mittels Dip-in Laserlithographie

Einleitung

Metamaterialien werden aus gewöhnlichen Werkstoffen wie Metalle oder Polymere hergestellt, bieten jedoch gänzlich neue Möglichkeiten die elastische oder elektromagnetische Wellenausbreitung zu beeinflussen. Das Erfolgsrezept ist die künstliche Anordnung der Grundwerkstoffe in funktionelle Baugruppen, die auf sub-Wellenlängenskala zu effektiven  Materialien zusammengesetzt werden. Weiterlesen